基于重合位置点阵模型构建可交互型倾侧晶界的自动建模方法与流程

1.本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种基于重合位置点阵模型构建可交互型倾侧晶界的自动建模方法。


背景技术：

2.晶界指的是结构相同而取向不同晶粒之间的界面。在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取向，故晶界上的原子排列处于过渡状态。而晶界对位错的产生有着重要的作用，近些年晶界的研究很热门，特别是低指数旋转轴的研究，大量的金属材料的研究都是从构建低指数旋转轴晶界作为突破口。早在1971年d.h.warrington在coincidence site lattice and gain boundaries一文中将满足重合位置点阵csl(coincidence site lattice)模型的旋转轴和旋转矩阵在∑≤25，0＜θ＜π范围内已经给出一个完全表。大量的研究基于此表格给予的信息，进行晶界建模以及分析，特别是低∑csl晶界(coincidence site lattice，∑≤29)对边界的微变阻力增强，粒间腐蚀和微小粒子分离的抗性增强有着至关重要的作用。
3.现在算法存在以下缺陷：1)d.h.warrington在coincidence site lattice and gain boundaries一文虽然以给出了一个完全表，但这个完全表只给出了∑≤25，0＜θ＜π范围，没有对此范围的晶面法向量的计算并没有给出完全表；2)部分算法计算出了部分晶面法向量，需要再借助ms(material studio)或atomsk等进行建模；3)单纯从算法的角度来编程，没有已有数据库，无法对不同晶向旋转轴和不同的∑做具体分析；4)已有专利用lammps语言编写出利用基于重合位置点阵模型构建方法，但是没有形成可交互对话窗口，使用起来不是很便捷。
4.出现上述问题的原因是因为目前算法的目标是继续分析某种材料，并不需要大规模横向数据库，根据已有∑≤25，0＜θ＜π范围内的完全表格，可以直接手动计算，并利用ms,atomsk建模就能够进行计算，而且算法的侧重点并不是软件的交互性和使用耗时的缩短。但随着科技的不断发展，特别是大数据技术的不断发展，对数据源的要求很高，现有技术很难满足要求。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术中的不足，本发明的目的是建立了大范围∑≤99，0＜θ＜π内的可交互性自动建模方法，并且得到全范围数据库，对后续大数据分析提供可靠分析数据源。
6.一种基于重合位置点阵模型构建可交互型倾侧晶界的自动建模方法，其包括如步骤：
7.1)构建重位点阵cls，将两个无限延伸具有相同点阵结构晶体中的一个，相对于另一个晶体绕某一低指数的晶轴旋转某特定的角度，这两个晶体点阵中的某些阵点位置会有
规则的重合起来，这些重合位置的阵点在空间将构成三维空间的超点阵为重位点阵cls；
8.2)设置旋转轴和重位点阵阵点所占的比例定义为σ为重合位置密度，计算相应的cls旋转角θ；
9.3)将旋转轴单位化得定义g＝cosθ,h＝sinθ,i＝1
‑
cosθ
[0010][0011]
得转动矩阵r＝∑
·
r
θ
，其中要求r
ij
均为整数；
[0012]
4)根据旋转轴采用正交关系构建和使两两正交，然后由变换公式
[0013]
计算
[0014]
5)输入晶体结构、晶格常数、元素，晶胞大小作为初始数据文件1，记文件1为
[0015]
6)对分别记矩阵
[0016]
和
[0017]
可得扩包后的矩阵
[0018][0019][0020]
分别输出扩胞数组文件2：和扩胞数组文件3：
[0021]
7)对数组文件2：数组文件3：进行模型拼接，选取晶面法向量，设晶界面方程，将数组文件2、数组文件3中的中的数据分别代入晶界面方程进行数据筛选，分别得到数组文件4和数组文件5；
[0022]
8)将数组文件4和数组文件5放在一个文件夹中，并设置两点间的距离小于0.1的原子，认为是重复原子，删去重复，得到最终倾侧晶界文件6。
[0023]
优选的，步骤7)中拼接晶界面包括以下步骤：选取作为晶面法向量，设晶界面c1x c2y c3z＝0方程，拼接晶界面包括以下步骤：首先将数组文件2中判断c1x c2y c3z＞0的数据是否过半，如果过半，选取c1x c2y c3z＞0的数据，进行保留，得到数组文件4，如果没有过半，则对c1x c2y c3z＜0的数据进行保留，得到数组文件4；在数组文件3中判断c1x c2y c3z＜0的数据是否过半，如果过半，选取c1x c2y c3z＜0的数据，进行保留，得到数组文件5；如果没有过半，则对c1x c2y c3z＞0的数据进行保留，得到数组文件5。
[0024]
优选的，步骤2)中，若(x y)为(b
1 b
2 b3)面上重合位置点阵点的坐标，旋转轴是则
[0025]
n＝b
12
b
22
b
32
[0026]
σ＝x
02
y
02
·
n
[0027][0028]
其中求x0,y0反解值为整数，否则，就不存在此种情况的∑，此处由于如果此处∑没有解，则可将∑乘以2进行判断，如果还没有解，可以乘以4进行判断，得到的晶界面结果是一致的，即∑＝3和∑＝6和∑＝12的晶界面计算结果一致。
[0029]
优选的，步骤4)中要求的坐标全为整数在[
‑
10,10]范围中，如果每个向量的坐标直接有公约数，需要约去，得到最简向量，求出对应的
[0030]
上述技术方案具有如下有益效果：基于重合位置点阵模型构建可交互型倾侧晶界的自动建模方法可采用任意指数旋转轴，任意重合位置密度∑都可以计算得到晶界面法向量，得到的倾侧晶界模型，并且编写成可交互模式，方便使用。而且采用该方法可获得任意指数旋转轴以及任意重合位置密度∑(∑≤99)的数据库，方便后期的大批量计算对比。
附图说明
[0031]
图1为本专利建模方法流程图
[0032]
图2为钨倾侧晶界晶界处原子排列图。
具体实施方式
[0033]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0034]
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
[0035]
如图1所示，该基于重合位置点阵模型构建可交互型倾侧晶界的自动建模方法，具体包括如步骤：
[0036]
1)构建重位点阵cls，将两个无限延伸具有相同点阵结构晶体中的一个，相对于另一个晶体绕某一低指数的晶轴旋转某特定的角度，这两个晶体点阵中的某些阵点位置会有规则的重合起来，这些重合位置的阵点在空间将构成三维空间的超点阵为重位点阵cls；
[0037]
2)设置旋转轴和重位点阵阵点所占的比例定义为σ为重合位置密度，计算相应的cls旋转角θ；在此步骤中可建立交互性输入接口，输入σ，具体包括如下步骤：
[0038]
a)、其中输入的要求b1，b2，b3均是整数，
[0039]
b)、将b1，b2，b3带入可得n＝b
12
b
22
b
32
[0040]
c)、定义σ：σ∈z
[0041]
d)、定义x0∈[1,σ],y0∈[1,x0)，x0∈z,y0∈z，
[0042]
e)、通过σ＝x
02
y
02
·
n，反解对应得到整数解x0,y0，x0＞y0[0043]
f)、求解
[0044]
g)、如果没有对应整数解x0,y0，此时对应σ无解，则提醒用户“请将输入的segama乘以2，再次输入”[0045]
若(x y)为(b
1 b
2 b3)面上重合位置点阵点的坐标，旋转轴是则
[0046]
n＝b
12
b
22
b
32
[0047]
σ＝x
02
y
02
·
n
[0048][0049]
其中求x0,y0反解值为整数，否则，就不存在此种情况的∑，此处由于
如果此处∑没有解，则可将∑乘以2进行判断，如果还没有解，可以乘以4进行判断，得到的晶界面结果是一致的，即∑＝3和∑＝6和∑＝12的晶界面计算结果一致。
[0050]
3)求转动矩阵，将旋转轴单位化得
[0051]
定义g＝cosθ,h＝sinθ,i＝1
‑
cosθ
[0052][0053]
得转动矩阵r＝∑
·
r
θ
，其中要求r
ij
均为整数；
[0054]
4)求解晶面法向量：根据旋转轴采用正交关系构建和使两两正交，然后由变换公式
[0055][0056]
计算
[0057]
步骤4)中要求的坐标全为整数在[
‑
10,10]范围中，如果每个向量的坐标直接有公约数，需要约去，得到最简向量，求出对应的
[0058]
5)输入晶体结构、晶格常数、元素，晶胞大小作为初始数据文件1，记文件1为作为具体实施例：本发明的计算程序暂时只支持fcc,hcp,bcc结构，输入时，需要从这三个结构中选择一个，并输入晶格常数和对应元素，如：fcc 4.02 al，此步骤为可交互步骤。
[0059]
对于bcc结构设定，部分代码
[0060]
p(:,:)＝0.d0
[0061]
p(2,1)＝0.5d0
[0062]
p(2,2)＝0.5d0
[0063]
p(2,3)＝0.5d0
[0064]
p(:,1)＝create_a0(1)*p(:,1)
[0065]
p(:,2)＝create_a0(2)*p(:,2)
[0066]
p(:,3)＝create_a0(3)*p(:,3)
[0067]
对于fcc结构设定，部分代码
[0068]
p(:,:)＝0.d0
[0069]
p(2,1)＝0.5d0
[0070]
p(2,2)＝0.5d0
[0071]
p(3,2)＝0.5d0
[0072]
p(3,3)＝0.5d0
[0073]
p(4,1)＝0.5d0
[0074]
p(4,3)＝0.5d0
[0075]
p(:,1)＝create_a0(1)*p(:,1)
[0076]
p(:,2)＝create_a0(2)*p(:,2)
[0077]
p(:,3)＝create_a0(3)*p(:,3)
[0078]
对于hcp结构设定，部分代码
[0079]
h(1,1)＝create_a0(1)
[0080]
h(2,1)＝create_a0(2)*dcos(deg2rad(120.d0))
[0081]
h(2,2)＝create_a0(2)*dsin(deg2rad(120.d0))
[0082]
h(3,3)＝create_a0(3)
[0083]
huc(:,:)＝h(:,:)
[0084]
p(:,:)＝0.d0
[0085]
x＝1.d0/3.d0
[0086]
y＝2.d0/3.d0
[0087]
z1＝0.5d0
[0088]
输入构建的晶胞大小
[0089]
如：20 20 20，即构成了20*20*20的晶胞。得到文件1
[0090]
6)对文件1中数据进行旋转，对分别记矩阵
[0091]
和
[0092]
可得扩包后的矩阵
[0093][0094]
[0095]
分别输出扩胞数组文件2：和扩胞数组文件3：
[0096]
7)对数组文件2：数组文件3：进行模型拼接，选取晶面法向量，设晶界面方程，将数组文件2、数组文件3中的中的数据分别代入晶界面方程进行数据筛选，分别得到数组文件4和数组文件5；
[0097]
该步骤中可选选取作为晶面法向量，设晶界面c1x c2y c3z＝0方程，拼接晶界面包括以下步骤：首先将数组文件2中判断c1x c2y c3z＞0的数据是否过半，如果过半，选取c1x c2y c3z＞0的数据，进行保留，得到数组文件4，如果没有过半，则对c1x c2y c3z＜0的数据进行保留，得到数组文件4；在数组文件3中判断c1x c2y c3z＜0的数据是否过半，如果过半，选取c1x c2y c3z＜0的数据，进行保留，得到数组文件5；如果没有过半，则对c1x c2y c3z＞0的数据进行保留，得到数组文件5。
[0098]
同理可选选取方向进行拼接，方法同上，将对称平面改成a1x a2y a3z＝0，判断条件类似变动，可得到最终倾侧晶界文件。
[0099]
8)将数组文件4和数组文件5放在一个文件夹中，并设置两点间的距离小于0.1的原子，认为是重复原子，删去重复，得到最终倾侧晶界文件6。
[0100]
下面以bcc结构wu原子为例对本专利方法做进一步的描述。
[0101]
首先计算结果选取，对于σ3旋转轴[110]
[0102]
可得到旋转矩阵
[0103][0104]
通过程序可得几个为了使得结构更精确，选取晶胞最小的可得
[0105][0106][0107]
和
[0108]
可通对称面的选取对称面为(111)或(112)，进行拼接可得对称晶界。
[0109]
对于σ9旋转轴[110]，
[0110]
可得到旋转矩阵
[0111][0112]
通过程序可得几个为了使得结构更精确，选取晶胞最小的可得
[0113]
[0114][0115]
和
[0116]
可以得到对称面为(114)和(221)倾侧晶界
[0117]
为了观察更明显，构建20*20*20的盒子，所得钨倾侧晶界晶界处原子排列图如图2所示。
[0118][0119][0120]
基于重合位置点阵模型构建可交互型倾侧晶界的自动建模方法可采用任意指数旋转轴，任意重合位置密度∑都可以计算得到晶界面法向量，得到的倾侧晶界模型，并且编写成可交互模式，方便使用。而且采用该方法可获得任意指数旋转轴以及任意重合位置密度∑(∑≤99)的数据库，方便后期的大批量计算对比。
[0121]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。